第6章 弧焊逆变器

6.1.3.1 弧焊逆变器的外特性
恒压、恒流及缓降特性的获得： 恒压、恒流及缓降特性的获得： 1——恒压特性 2——恒流特性 3——缓降特性 4——恒流加外拖特性
图6-3 弧焊逆变器的外特性 1—恒压特性 2—恒流特性 3—缓降特性 4—恒流加外拖特性
6.1.3. 2 弧焊逆变器的调节性能
由弧焊逆变器外特性曲线形成原理可知，对于恒压特性来说给定电压值的大小，决定 了输出端电弧电压的大小。也就是说给定电压大，电弧电压也大：反之亦然。如Ugu1 ＜ Ugu2 ，外特性曲线由1上移到曲线2，如图6-4a所示，稳定工作点由A1移至A2点。 对于恒流特性来说，给定电流的电压值的大小决定了输出焊接电流的大小。也就是说 Ugi大，也大，反之亦然。如Ugi1＜Ugi2，外特性曲线由1右移至曲线2，如图6-4b所示， 稳定工作点相应由AI移至A2点。
6.1.2 弧焊逆变器的基本原理
弧焊逆变器的基本原理可以概括于如图6-1所示的方框图。 在供电系统中，单相（或三相）50Hz或60Hz的交流网路电压单相 220V（或三相380V），经输入整流器（URl）整流和滤波器（LC1） 滤波之后，获得逆变主电路所需的平滑直流电压单相整流约310V （或三相整流约为520V）。该直流电压在电子功率系统中经逆变主 电路的大功率开关电子器件(晶闸管、晶体管、场效应管或IGBT)组Q 的交替开关作用，变成几千至二十万赫兹的中频高压电，再经高(中) 频变压器（T）降至适合于焊接的几十伏低电压，并借助于电子控制 系统的控制驱动电路和给定与反馈电路(M、G、N等组成)，以及焊接 回路的阻抗，获得弧焊工艺所需的外特性和动特性。如果需要采用直 流电进行焊接，还需经输出整流器U整流和经电抗器L2、电容器C2的 滤波，把高(中)频交流变换成为直流输出。
6.1.5.1 电子控制电路的基本功能要求
更具体地说，控制电路必须具备如下的基本功能： 1、驱动电路提供前后沿陡峭、相位差180°、对称的脉冲列。根据逆变器类型不同和调节体制的 不同，要求脉冲宽度可变，或频率可调。 2、有足够的电路增益，在输入电网电压和负载电流允许的变化范围内使弧焊逆变器输出电压、电 流达到规定的精度。 3、获得规定的输出电压、电流调节范围。 4、实现输入、输出电压的软启动。 5、应能输出弧焊工艺所要求的电气性能(外特性、调节特性、动特性和波形)。 6、负载功率(含电弧电压和电流)超过额定值时，应能自动限制输出功率或切断主电路供电电源。 7、一般场合下都要求控制电路能实现输出和反馈输入之间的电隔离、绝缘。 8、按设计的次序接通和关断主电路电源、控制电路电源。 9、在机器人焊接、半自动与自动焊接时，操作者远离弧焊逆变器，需使用遥控盒来操作逆变器的 工作。 10、设置有与外围设备有联系的强、弱电接口。 其他功能： 1）对于桥式或推挽式逆变主电路，要求控制电路能在两个半工作周期出现不对称时具有能自动加 以平衡的功能。 2）温度监视(大功率开关管、高频变压器等关键部件的温度监视)。 3）对限流、过载、缺相等状态的警告和指示等，必要时也应给予考虑。
6.1.3.4 外特性、调节特性和输出脉冲的 外特性、 控制方式
通常，弧焊逆变器采用三种调节控制方式来实现对外特性控制、 调节特性（工艺参数调节）和形成输出脉冲波形： （1）定脉宽调频率 脉冲电压宽度不变，通过改变逆变器的开关 ） 频率来形成外特性曲线形状、调节特性（调节工艺参数大小）和输出 脉冲波形。 （2）定频率调脉宽 脉冲电压频率不变，通过改变逆变器开关脉 ） 冲的脉宽比(占空比)来形成外特性曲线形状、调节特性（调节工艺参 数大小）和输出脉冲波形。 （3）混合调节 是把定脉宽调频率和定频率调脉宽两种体制结合 ） 起来调节。
6.1.5.2 驱动电路的基本功能要求 驱动电路的基本功能要求
晶闸管类和晶体管类逆变器的驱动电路有着不同的特点和要求。
1.对晶闸管类逆变器驱动电路的要求： 对晶闸管类逆变器驱动电路的要求：
1）触发脉冲信号应有足够的功率(电压和电流)。 2）触发脉冲信号应有足够的宽度，保证触发的晶闸管可靠导通。 3）触发脉冲型式应有助于晶闸管的导通。在大电流晶闸管并联电路中，要求 并联的元件同一时刻导通，使开关管在允许的范围内。 4）必须确保晶闸管在需要关断时能十分可靠的关断。 2. 对晶体管类逆变器驱动电路的要求 ： 对晶体管类逆变器驱动电路的要求 ：晶体管类逆变器驱动电路的作用，把 控制电路输出的脉冲放大到足以激励高压开关管。它所提供的驱动脉冲幅度和波 形，关系到晶体管类的饱和压降、存储时间、开通和关断瞬间集电极或漏极的电 压、电流上升下降速等运行特性，从而直接影响其损耗和发热。驱动电路是决定 PWM型逆变器性能优劣的主要因素之一。
第6章 弧焊逆变器 章
6.1 弧焊逆变器概述 6.2 晶闸管式弧焊逆变器 6.3 6.4 6.5 6.6 晶体管式弧焊逆变器 场效应管式弧焊逆变器 IGBT式弧焊逆变器 式弧焊逆变器 软开关型弧焊逆变器
6.1 弧焊逆变器概述
弧焊逆变器的定义：直流（DC）－交流 （AC）之间的变换称为逆变，实现这种变 换的装置就称为逆变器，为焊接电弧提供 电能，并具有弧焊工艺所要求电气性能的 逆变器，被称为弧焊逆变器。 弧焊逆变器的特殊性：焊接的供电对象是特 殊的电弧负载，特别是熔化极短路过渡的 电弧焊，逆变器要承受剧烈变动着的动负 载，工作情况十分复杂 。
6.1.2 弧焊逆变器的基本原理
弧焊逆变器的变流过程可以简单叙述为： 弧焊逆变器的变流过程可以简单叙述为： 工频交流（AC） 直流（DC） 高、中频交流（AC） 降压 交流（AC） 并再次变成直流（DC） ； 弧焊逆变器中可采用三种逆变体制 ： 1) AC—DC—AC 2) AC—DC—AC—DC 3) AC—DC—AC—DC—AC (矩形波交流)。
图6-4 弧焊逆变器规范调节示意图 a)恒压特性 b)恒流特性
6.1.3. 2 弧焊逆变器的调节性能
通常，弧焊逆变器不同的类型，采用不同的调节体 制来实现对外特性控制和工艺参数的调节。以满足弧焊 工艺的不同需求。我们将在不同类型的弧焊逆变器的工 作原理中逐一介绍。
6.1.3. 3 弧焊逆变器的动特性
图6-2 弧焊逆变器闭环控制系统示意图
6.1.3.1 弧焊逆变器的外特性
该闭环控制系统的平衡关系建立如下：图中有电弧电压 （U f ）负反馈，输出电压经电压采样环节(常用电位器分压) 得到与其成正比的反馈量m U f 。还有电弧电流（I f）负反 馈，输出电流经电流采样环节(常用分流器或霍尔元件)得 到与其成正比的反馈量n I f 。m U f 和n I f又分别经过比较放 大环节与电弧电压给定量（U gu ）、电弧电流给定量（U gi） 比较及放大，于是各自输出K1(U gu —m U f)和K2( U gi—n )。 Uk If 最后，经综合、放大得到控制电压（ ），再输入控制驱 动电路，以驱动电子功率系统(逆变器)运行。
6.1.4 弧焊逆变器主电路基本形式
几种常用的逆变主电路基本形式，如图6-6所示 :
图6-6 逆变主电路常用的基本形式 a）单端通向式 b）半桥式 c）全桥式 d）并联式
1.
单端通向逆变主电路 如图6-6a所示，功率开关管(以电子开关符号示意) V1、V2 同时按中频周期性通断，从而把输入的直流电逆变成断续的 中频电，经中频变压器T降压、快速二极管VD1整流、电感滤 波，向电弧输出直流电。 两个开关管同时承受输 入电压，对耐压要求较 低，适用于中小功率的 逆变器。
6.1.3 弧焊逆变器的输出电气特性
为了满足弧焊工艺的要求，弧焊逆变器输出电气特性 (性能)，必须具有相应的适应性。电气特性主要包括外特 性、调节性能和动特性。
6.1.3.1 弧焊逆变器的外特性
弧焊逆变器是利用电子控制系统和电流电压反馈对电子功率系统 (逆变器)进行闭环控制，来获得不同外特性曲线形状的。 根据弧焊逆变器的基本原理方框图(图6-1)，就可以用方框图和方 程式来描绘弧焊逆变器闭环控制系统，如图6-2所示。
6.1.5 弧焊逆变器控制、驱动电路 弧焊逆变器控制、
弧焊逆变器的电子控制系统，实际上包括电子控制电路 与驱动电路。它们是实现弧焊逆变器电气性能的另一重要 组成部分。因而，有必要深入了解对它的功能要求和如何 更好实现这些要求。
6.1.5.1 电子控制电路的基本功能要求
电子控制电路的作用在于，向弧焊逆变器驱动电路提供一 对前后沿陡峭、相位差180°、对称和宽度可变或相位可 移动的矩形脉冲列(除晶闸管逆变器之外)。有的逆变器， 如半桥式、全桥式等，要求脉冲列彼此绝缘。对于单端逆 变主电路而言只要一组脉冲。通过成对脉冲电压的有和无、 脉冲的窄和宽、脉冲宽度的变化量或改变脉冲频率或相位， 基本脉宽和最小脉宽以及从最小脉宽增大到额定脉宽的速 度，从最小脉冲频率到额定脉冲频率等的关系来实现设计 目标。
弧焊逆变器用于有熔滴短路过渡的弧焊工 艺时，必须对它的动特性提出严格的要求，而 影响MAG／CO2焊短路过渡的主要参数是短 路电流上升率disd / dt ，其大小与焊接回路的时 R 间常数T(T＝L’／ f ，L’为焊接回路的等效电感,R f 为电弧电阻)有着直接的关系。R f 是随焊接电流 大小而变化，不能任意改变；而L’可以通过在 焊接回路中串入电抗器来改变的。另外，也可 通过改变闭环系统的时间常数来改变disd / dt。
6.1.6 弧焊逆变器的特点、分类和应用 弧焊逆变器的特点、
一、弧焊逆变器的特点
弧焊逆变器与传统的弧焊电源比较，传统的弧焊电 源均用工频(50Hz或60Hz)来传递电能和变换电参数，而 弧焊逆变器则把工频提高到几千至二十万赫(兹)进行电能 的传递和变换。从工作上来讲原理上来讲，由于频率的提 高，给弧焊逆变器的结构和性能上带来突出的特点：高效 节电、省材轻巧、动态响应快，电气性能、焊接工艺性能 优良。
6.1.1 弧焊逆变器的主要组成及其作用
主要组成：供电系统；电子功率系统；电子控制系统； 给定与反馈电路；焊接电弧等 ； 弧焊逆变器的基本组成方框图 ：
图6-1 弧焊逆变器主要组成和基本原理方框图
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6.1.1 弧焊逆变器的主要组成及其作用
由图可见，弧焊逆变器的主要组成及其作用如下： 逆变主电路 由供电系统，电子功率系统和焊接电弧组成 ； 实现电能的传输和变化。 电子控制系统 对电子功率系统(逆变主电路)提供足够大的、 按电弧所需变化规律的开关脉冲信号，驱动逆变主电路 的工作 ； 反馈与给定系统 它由检测电路(M)、给定电路（G）、比 较和放大电路（N）等组成。与电子控制系统一起，实 现对弧焊逆变器的闭环控制，并使它获得所需的外特性 和动特性。
弧焊逆变器的动特性
在弧焊逆变器中通常是采用如下两个方式改 善和控制它的动特性： （1）在焊接回路中串入电抗器。通常，电抗 器不仅为了改善动特性而设，而且也有滤波作用。 （2）设计电子电抗器弧焊逆变器，即可以用 电子电路来替代带铁心的电抗器，控制 ， 这也是其控制性能优越性的又一体现。 disd / dt
3.
全桥式逆变主电路 如图6-6c所示，由对边桥臂
的两对功率开关管V1、V4和V2、 V3按中频周期性轮流通断，其余 工作情况与半桥式相同。功率开 关管亦只承受，适合于中大功率 的焊接需求。
4.
并联式逆变主电路 如图6-6d所示 ，这种主电路
也称为推挽式逆变主电路。功率 开关管V1和V2按中频周期性轮流 通断，经T降压，VD1、VD2全波 整流，输出直流电。开关管承受 两倍以上，对耐压要求很高。一 般只用于晶闸管式逆变器。
2.
半桥式逆变主电路
如图6-6b所示，输入的直流电压被两组电解电容器、平分，串联的两 个功率开关管V1、V2 轮流通断，形成矩形波交流电。经T降压，VD1、 VD2的全波整流，输出直流电。VD1、VD2必须选用承受双倍输出电压 幅值的快速二极管。V1、V2只承受 U d ，对管子的耐压要求较低。
1 2
6.1.5.2 驱动电路的基本功能要求 驱动电路的基本功能要求
由控制电路提供的脉冲控制信号一定要具有足够大 的功率，而且由于开关管的类型、型号、容量不同， 对驱动脉冲信号的功率大小要求也不同。逆变主电 路型式不同，对驱动脉冲信号还有不同的隔离要求， 例如全桥式、半桥式逆变主电路中位于高和低电位 的开关管，其驱动脉冲信号必须进行可靠的隔离。